论文部分内容阅读
【摘 要】发电机励磁系统是对电力系统电压进行稳定控制的主要方法。随着国民经济的发展，电力系统与电网规模逐步扩大。在电力工作中，通过对电力系统进行稳定计算来保障系统最优运行已成为顺应时代潮流的关键。电力系统安全稳定运行和计算的关键在于工作中是否能够建立准确的数学模型和采用与实际系统相吻合的模型参数。因此在目前的电力系统中励磁系统建模研究就显得十分重要，是提高稳定分析水平的关键。本文深入研究和分析了大型汽轮机发电机组磁力系统中最常见的磁力系统结构特点与建模原理，从而提出相关的控制技术标准。
【关键词】电力系统；汽轮发电机；励磁系统
在目前社会发展中，IEEE等国际组织已经提出了多种标准化的励磁系统模型以供工作人员选择。尤其是在600MW汽轮发电机组中，一旦模型的结构确定下来，那么接下来的工作就是确定模型的运行参数了。可以说在汽轮机的工作中，一个精确的励磁系统模型不但需要考虑到各种元件特性和质量，而且还要能够反映出它们之间彼此存在的联系和相互作用。因此在目前的工作中对现场运行励磁系统的辨别试验十分重要，是根据现场采集的数据进行磁力系统参数辨别，从而建立完善准确的励磁系统模型，这也是励磁系统建模的核心内容。
一、汽轮发电机组磁力系统概述
600MW汽轮发电机组磁力系统对电力系统的电压控制是十分重要的。随着电力系统的发展，我国电网规模不断扩大，电网运行安全和运行稳定性也变得越来越重要。通常情况下，在汽轮机发电机组工作中对电力系统稳定进行计算和确定十分重要，是提高系统运行稳定性的一个重要手段。而电力系统安全稳定计算的关键在于建立确定的数学模型和采用一种与实际系统相吻合的模型参数模数。
在早期的汽轮发电机组的运行中，主要是通过采用直流励磁机系统进行判断与分析。直流励磁机的容量受机械强度和换相电压等电气参数的影响。其中最大的功率只能够控制在600KW以内。在这种情况下，显然对于磁力功率大于600KW的汽轮发电机已经无法采用同轴直流励磁系统来进行控制。就目前的社会发展与生产中，通常都是采用交流励磁系统、自励或者自复励励磁系统模式。
二、汽轮发电机组励磁系统原理
发电机励磁系统是调节机端电压的主要工具，对电力系统的稳定性和可靠性发挥着举足轻重的作用。励磁系统一般都是通过励磁功率和励磁调节器两部分组成，其中励磁功率单元向发电机提供主流电流，也是就目前常说的励磁电流。在目前常见的励磁系统组成原理主要包括励磁功率单元、励磁调节器和发电及机组构成的一种复合反馈控制系统。
（一）他励交流励磁机励磁系统
他励交流励磁机励磁系统是目前汽轮发电机机组中应用较为广泛的一种，其在应用的过程中其励磁功率控制准确，可靠且不受到其他极端护短故障的影响，也就是一种来自发电机外部独立或者与其同轴旋转的励磁机，也被人们称之为他励。根据交流励磁机的数量以及整流器是旋转的还是静止的，分为以下几种：
1、他励静止硅整流励磁系统
他励静止硅整流励磁系统是一种有刷励磁，适用于励磁（滑环）电流小于8000～10000A的同步发电机。
（1）他励静止硅整流励磁系统，交流副励磁机输出电压经可控硅整流桥整流后给主励磁机提供励磁，而交流主励磁机输出电压经静止的硅整流桥整流后，通过炭刷给发电机励磁。
（2）他励静止可控硅整流励磁系统，交流主励磁机输出电压经可控硅整流后，通过炭刷给发电机励磁。而交流副励磁机则采用自励恒压系统维持其端电压。
2、他励旋转硅整流励磁系统
在上述整流设备静止的励磁系统中，同步发电机的励磁电流必须通过转子滑环与炭刷引入转子励磁绕组。目前由于炭刷材料和压力的影响，当励磁（滑环）电流超过8000～10000A时，就要取消滑环与炭刷，即采用无刷励磁系统。为此，交流励磁机的交流绕组和整流设备随同主轴旋转，而其直流绕组则是静止的，这就构成了他励旋转硅整流励磁系统，其优点是省去了炭刷维护工作。
（二）自励和自复励静止励磁系统
1、常规励磁系统
常规励磁系统是指励磁机时间常数在0.5s左右及大于0.5s的励磁系统。直流励磁机励磁系统，无特殊措施的交流励磁机不可控整流器励磁系统都属于常规励磁系统。
2、快速励磁系统
快速励磁系统是指励磁机时间常数小于0.05s的励磁系统，交流励磁机可控硅整流励磁系统，静止励磁机励磁系统都属于快速励磁系统。
3、高起始励磁系统
高起始励磁系统是指发电机端电压从100%下到80%时，励磁系统达到顶值电压与额定负载时同步电机磁场电压之差的95%所需时间等于或小于0.1s的励磁系统。这种励磁系统主要是指采用了特殊措施的交流励磁机不可控整流器励磁系统。所采用的措施主要为加大副励磁机容量和增加发电机磁场电压硬负反馈。直流励磁机励磁系统在采用相应措施后也可达到或接近高起始励磁系统。
三、主要建模方案
第一步，收集励磁系统建模所需资料，主要包括：
（1）发电机资料。发电机型号、规格、制造厂、发电机铭牌参数，如有功功率、视在功率、功率因数、定子电压、定子电流、励磁电压、励磁电流、励磁机励磁电压、励磁机励磁电流、发电机参数、发电机空载特性曲线。
（2）励磁机资料。励磁机型号、规格、相数、频率、额定电压、额定视在功率、额定功率因数、励磁机空载和电阻性负载特性曲线。
第二步，建立励磁系统原始模型参数。对前种情况，需要完成励磁原始模型参数的确认，对于后两种情况，需要进行励磁原始模型参数实测，具体方法如下：
1）调节器各个环节参数实测。频域辨识方法：在电压迭加点加上白躁声信号或正弦信号进行频率特性测量，获得频率特性之后可以使用专用的拟合程序进行拟合获得传递函数。相频、幅频特性应与实际测到的特性比较。各个环节可以分开做，也可以几个环节合起来一起做。时域辨识方法：在电压迭加点加上阶跃信号进行时域特性测量，获得时域响应之后可以使用专用的拟合程序进行拟合获得传递函数。
2）调节器各限幅值实测。制造厂应提供AVR调节器的环节限幅值，主要是一些非线性环节限幅，如电压偏差值限幅、各运算放大器限幅、积分限幅、最大最小可控硅控制角限制等。在静态试验中通过改变电压信号和电压给定值使得各个环节输出达到其限幅值，然后测量该值。
四、结束语
随着电力系统的发展，我国电网规模越来越大，电网安全及其稳定运行问题的重要性日益突出，通过电力系统稳定计算以确定系统最优运行工况是提高系统稳定性的一个重要手段，而电力系统安全稳定计算的关键是建立准确的数学模型和采用与实际系统相吻合的模型参数。因此，结合发电机励磁系统的特点，开展模型参数辨识工作，从而建立起准确的励磁系统数学模型的研究非常必要。发电機励磁系统的准确模型有助于预测系统性能，监测系统状态，从而提高系统安全性和稳定性。
【关键词】电力系统；汽轮发电机；励磁系统
在目前社会发展中，IEEE等国际组织已经提出了多种标准化的励磁系统模型以供工作人员选择。尤其是在600MW汽轮发电机组中，一旦模型的结构确定下来，那么接下来的工作就是确定模型的运行参数了。可以说在汽轮机的工作中，一个精确的励磁系统模型不但需要考虑到各种元件特性和质量，而且还要能够反映出它们之间彼此存在的联系和相互作用。因此在目前的工作中对现场运行励磁系统的辨别试验十分重要，是根据现场采集的数据进行磁力系统参数辨别，从而建立完善准确的励磁系统模型，这也是励磁系统建模的核心内容。
一、汽轮发电机组磁力系统概述
600MW汽轮发电机组磁力系统对电力系统的电压控制是十分重要的。随着电力系统的发展，我国电网规模不断扩大，电网运行安全和运行稳定性也变得越来越重要。通常情况下，在汽轮机发电机组工作中对电力系统稳定进行计算和确定十分重要，是提高系统运行稳定性的一个重要手段。而电力系统安全稳定计算的关键在于建立确定的数学模型和采用一种与实际系统相吻合的模型参数模数。
在早期的汽轮发电机组的运行中，主要是通过采用直流励磁机系统进行判断与分析。直流励磁机的容量受机械强度和换相电压等电气参数的影响。其中最大的功率只能够控制在600KW以内。在这种情况下，显然对于磁力功率大于600KW的汽轮发电机已经无法采用同轴直流励磁系统来进行控制。就目前的社会发展与生产中，通常都是采用交流励磁系统、自励或者自复励励磁系统模式。
二、汽轮发电机组励磁系统原理
发电机励磁系统是调节机端电压的主要工具，对电力系统的稳定性和可靠性发挥着举足轻重的作用。励磁系统一般都是通过励磁功率和励磁调节器两部分组成，其中励磁功率单元向发电机提供主流电流，也是就目前常说的励磁电流。在目前常见的励磁系统组成原理主要包括励磁功率单元、励磁调节器和发电及机组构成的一种复合反馈控制系统。
（一）他励交流励磁机励磁系统
他励交流励磁机励磁系统是目前汽轮发电机机组中应用较为广泛的一种，其在应用的过程中其励磁功率控制准确，可靠且不受到其他极端护短故障的影响，也就是一种来自发电机外部独立或者与其同轴旋转的励磁机，也被人们称之为他励。根据交流励磁机的数量以及整流器是旋转的还是静止的，分为以下几种：
1、他励静止硅整流励磁系统
他励静止硅整流励磁系统是一种有刷励磁，适用于励磁（滑环）电流小于8000～10000A的同步发电机。
（1）他励静止硅整流励磁系统，交流副励磁机输出电压经可控硅整流桥整流后给主励磁机提供励磁，而交流主励磁机输出电压经静止的硅整流桥整流后，通过炭刷给发电机励磁。
（2）他励静止可控硅整流励磁系统，交流主励磁机输出电压经可控硅整流后，通过炭刷给发电机励磁。而交流副励磁机则采用自励恒压系统维持其端电压。
2、他励旋转硅整流励磁系统
在上述整流设备静止的励磁系统中，同步发电机的励磁电流必须通过转子滑环与炭刷引入转子励磁绕组。目前由于炭刷材料和压力的影响，当励磁（滑环）电流超过8000～10000A时，就要取消滑环与炭刷，即采用无刷励磁系统。为此，交流励磁机的交流绕组和整流设备随同主轴旋转，而其直流绕组则是静止的，这就构成了他励旋转硅整流励磁系统，其优点是省去了炭刷维护工作。
（二）自励和自复励静止励磁系统
1、常规励磁系统
常规励磁系统是指励磁机时间常数在0.5s左右及大于0.5s的励磁系统。直流励磁机励磁系统，无特殊措施的交流励磁机不可控整流器励磁系统都属于常规励磁系统。
2、快速励磁系统
快速励磁系统是指励磁机时间常数小于0.05s的励磁系统，交流励磁机可控硅整流励磁系统，静止励磁机励磁系统都属于快速励磁系统。
3、高起始励磁系统
高起始励磁系统是指发电机端电压从100%下到80%时，励磁系统达到顶值电压与额定负载时同步电机磁场电压之差的95%所需时间等于或小于0.1s的励磁系统。这种励磁系统主要是指采用了特殊措施的交流励磁机不可控整流器励磁系统。所采用的措施主要为加大副励磁机容量和增加发电机磁场电压硬负反馈。直流励磁机励磁系统在采用相应措施后也可达到或接近高起始励磁系统。
三、主要建模方案
第一步，收集励磁系统建模所需资料，主要包括：
（1）发电机资料。发电机型号、规格、制造厂、发电机铭牌参数，如有功功率、视在功率、功率因数、定子电压、定子电流、励磁电压、励磁电流、励磁机励磁电压、励磁机励磁电流、发电机参数、发电机空载特性曲线。
（2）励磁机资料。励磁机型号、规格、相数、频率、额定电压、额定视在功率、额定功率因数、励磁机空载和电阻性负载特性曲线。
第二步，建立励磁系统原始模型参数。对前种情况，需要完成励磁原始模型参数的确认，对于后两种情况，需要进行励磁原始模型参数实测，具体方法如下：
1）调节器各个环节参数实测。频域辨识方法：在电压迭加点加上白躁声信号或正弦信号进行频率特性测量，获得频率特性之后可以使用专用的拟合程序进行拟合获得传递函数。相频、幅频特性应与实际测到的特性比较。各个环节可以分开做，也可以几个环节合起来一起做。时域辨识方法：在电压迭加点加上阶跃信号进行时域特性测量，获得时域响应之后可以使用专用的拟合程序进行拟合获得传递函数。
2）调节器各限幅值实测。制造厂应提供AVR调节器的环节限幅值，主要是一些非线性环节限幅，如电压偏差值限幅、各运算放大器限幅、积分限幅、最大最小可控硅控制角限制等。在静态试验中通过改变电压信号和电压给定值使得各个环节输出达到其限幅值，然后测量该值。
四、结束语
随着电力系统的发展，我国电网规模越来越大，电网安全及其稳定运行问题的重要性日益突出，通过电力系统稳定计算以确定系统最优运行工况是提高系统稳定性的一个重要手段，而电力系统安全稳定计算的关键是建立准确的数学模型和采用与实际系统相吻合的模型参数。因此，结合发电机励磁系统的特点，开展模型参数辨识工作，从而建立起准确的励磁系统数学模型的研究非常必要。发电機励磁系统的准确模型有助于预测系统性能，监测系统状态，从而提高系统安全性和稳定性。